Memoire Online - Contribution de la localisation des GED sur la stabilité de tension dans les réseaux de distribution radiale

Contribution de la localisation des GED
dans un réseau radial de distribution sur
la stabilité de tension

Tout d'abord, je remercie dieu tout puissant de m'avoir donné le
courage
Et la force pour réaliser ce mémoire.
Je tiens à remercier. Le Directeur de ce mémoire, Pr. Djamel labed
Je remercie également, Dr. Abdelkader Bouafia et tous enseignants
qui ont participé à ma formation.
Je remercie toutes personnes qui ont contribué, à réaliser ce travail.
Je remercie Tous les membres du jury pour l'intérêt qu'ils
Ont porté, à mon travail.

je dédie ce travail A mes chers parents, pour tous leurs sacrifices, leurs
amours, leurs tendresses, leurs soutiens et leurs prières tout au long de

A toute ma famille pour leur soutien tout au long de mon parcours
universitaire,

Que ce travail soit l'accomplissement de vos voeux tant allégués, et le
fruit de votre soutien Infaillible,

Chapitre I : la production décentralisée

Chapitre II: Les impacts de l'insertion des GED sur les réseaux de distribution radiaux

II.3 L'importance de la tension et la fréquence dans les réseaux électrique 28

II.4.1.7 Impact sur les calculs technico-économiques des études de planification 40

Chapitre III: Etude un cas de localisation un GED dans un réseau radial de 15 jeu barre

Chapitre I : La production décentralisée

Figure (III.3) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 1 44

Figure (I.10) Générateur éolien à vitesse variable basé sur une machine asynchrone à cage 15

Figure (I.18) Génératrice synchrone en débit sur charges isolées ou réseau 21

Figure (I.19) Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées ou réseau 22

Figure (I.20) Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées ou réseau 22

Figure (I.23) centrale géothermique Avec les gisements de roches chaudes sèches 25

Chapitre II: Les impacts de l'insertion des GED sur les réseaux de distribution radiaux
Figure (II.1) organisation du réglage hiérarchisé de tension 32

Figure (II.2) exemple de Réseau en évidence des impacts de l'insertion de GED 35

Figure (II.6) Transit de puissance dans le réseau test avec une GED connectée au noeud 5 37

Chapitre III: Etude un cas de localisation des GED dans un réseau radial de 15 Jeux de

Figure (III.2) Les tensions dans les différents J.B sans intégration de GED 44

Figure (III.4) les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 2 45

Figure (III.5) les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 3 45

Figure (III.6) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 4 46

Figure (III.7) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 5 46

Figure (III.8) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 6 47

Figure (III.9) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 7 47

Figure (III.10) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 8 48

Figure (III.11) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 9 48

Figure (III.12) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 10 49

Figure (III.13) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 11 49

Figure (III.14) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 12 50

Figure (III.15) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 13 55

Figure (III.16) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 14 51

Figure (III.17) Les valeurs des tensions dans les différents J.B après l'intégration au J.B 15 51

Introduction générale

Le marché de l'électricité est en plein développement et l'organisation de ce secteur change continuellement. En effet diverses fonctions relatives à ce domaine se décentralisent, et sont jouées par des acteurs distincts (distributeur, producteur, commerçant, régulateur, etc.).

Les dérégulations du marché de l'énergie ont engendrés une privatisation progressive, et ont permis à des producteurs quelconques de produire et de vendre leurs énergies sur le marché. Ainsi, il apparaît une multiplication de producteurs indépendants.

Et puis, il existe une volonté mondiale de promouvoir la production d'électricité à base d'énergie renouvelable. En effet, suite au protocole de Kyoto (Le Protocole de Kyoto est un accord international, organisé par l'ONU, visant à la réduction des émissions de gaz à effet de serre) [1], la part d'électricité produite à base d'énergie renouvelable a augmenté, dans le but de limiter le niveau d'émission des gaz à effet de serre, et diminuer le risque des centrales nucléaires. La commission européenne s'est fixé des orientations à court terme pour le développement de ces énergies.

Ainsi, différentes technologies de productions d'énergie sont dorénavant disponibles pour parvenir à ces objectifs tels que les éoliennes, les panneaux solaires, les centrales de cogénération d'électricité et de chaleur, etc. Cette nouvelle avancée va avoir plusieurs impacts sur le fonctionnement du réseau électrique de distribution [2].

Dans un schéma classique, les centrales de production sont en amont par rapport à la distribution, et la connexion des énergies renouvelables est réalisée sur le réseau de distribution de par leur puissance. La présence des GED ne date pas d'hier, en effet ils ont été là depuis longtemps, mais leurs présence n'était pas aussi considérable, Ainsi année après années, avec l'augmentation du nombre des producteurs, Tout porte à croire que cette production d'énergie ne va pas arrêter de s'étendre à l'avenir, apportant avec elle un problème d'insertion dans le réseau actuel de la distribution.

Les réseaux de distribution sont des réseaux de topologie radiale ramifiée et ont plusieurs noeuds de charges. Le problème qui se pose est comment choisir le meilleur emplacement et la capacité de GED (générateur d'énergie décentralisée) dans un réseau de distribution.

Cette problématique fait l'objet de thématique recherche de ce mémoire, pour cela nous avons utilisé le logiciel de MATLAB Simulink pour observer la stabilité de tension de réseau tests et déterminer le noeud meilleur de raccordement de GED. Le plan de travail de cette mémoire a été organisé autour de trois chapitres :

Le premier chapitre donne une vision globale sur la production décentralisée et sa caractéristiques avec les technologies utilisées, à indiquer leurs Apports technico-économiques et environnementaux.

Le chapitre 2 nous en apprendrons l'importance de la stabilité de tension les impacts de la production décentralisée sur les réseaux électriques notamment sur la stabilité de system de distribution et sur les plans de défense.

Dans le chapitre 3, une simulation a été faite sur un réseau tests de 15 jeux de barre.

Enfin, une conclusion générale ce mémoire. Vient pour conclure dans le perspective de rechercher le meilleur emplacement de GED est l'objectif principal de ce mémoire.

Chapitre I :

I.1 Introduction

La littérature montre qu'il n'y a pas de définition universellement partagée du terme «production décentralisée». Certains pays définissent la production décentralisée suivant le niveau de tension auquel sont connectés ces générateurs d'énergie décentralisée ou dispersés, tandis que d'autres partent du principe que la production décentralisée fournit directement les charges.

Le développement de la GED est désormais une réalité dans la plupart des réseaux du monde. La déréglementation du marché de l'énergie ainsi que les évolutions technologiques des moyens de production de petite puissance ont considérablement encouragé cette mutation. Les raisons techniques et économiques, à la base du développement de ce type de production, sont entre autres [2]:

I-2-Caractéristiques de la Production Décentralisée [2] [3]

Les systèmes de production décentralisée peuvent se caractériser par le type de générateur ou d'interface utilisé. On distingue ainsi les catégories suivantes et leurs domaines d'applications actuels, avec quelques empiétements entre catégories.

I-2-1- Systèmes à alternateurs classiques (machine synchrone)

Ces systèmes sont dits classiques en raison de l'utilisation de générateurs synchrones comme dans les centrales thermiques à combustible fossile ou nucléaire, et dans les centrales hydrauliques :

Solaire à bac parabolique et tour, Turbine à gaz à cycle simple, Turbine à gaz à cycle combiné.

I-2-2- Systèmes à générateurs asynchrones

Solaire réflecteur-moteur (à miroirs paraboliques et moteurs à cycle Stirling et Brayton),

I-2-3- Systèmes à interface avec convertisseur électronique

Tout générateur destiné à être raccordé au réseau triphasé à courant alternatif 50/60 Hz doit constituer une source de trois forces électromotrices triphasées symétriques, de même ordre de succession que les tensions du réseau [4].

De nombreux types de GED existent qui utilisent des technologies matures ou en phase de développement. Les énergies primaires utilisées sont également très variées, d'origine renouvelable ou fossile. Un panel des principales technologies mises en oeuvre est proposé ci-dessous.

I-3 Les Différents types et moyens de productions d'énergie

Le réseau électrique se compose d'un ensemble d'ouvrages de production, de transport et de distribution de l'énergie électrique. Pour assurer sa stabilité, une bonne surveillance et un contrôle en temps réel de son fonctionnement est nécessaire. La production d'électricité est tout simplement une conversion, une transformation d'énergie mécanique (liée au mouvement) en énergie électrique.

Dans les centrales, l'énergie mécanique est convertie en énergie électrique mais à plus grande échelle. On peut convertir également de l'énergie thermique, hydraulique ou encore éolienne en énergie électrique.

L'électricité est un facteur essentiel au développement économique, dans tous les pays du monde. Son importance relative s'accroit avec les progrès techniques, l'industrialisation et le besoin de confort moderne. L'augmentation de sa production est synonyme de sa qualité de vie et de création de richesse. La production d'électricité ramène au nombre d'habitants, est donc un bon indicateur permettant de mesurer les écarts de développent entre les différentes régions du monde.

Il existe plusieurs technologies de productions d'énergies électriques raccordées au réseau de distribution. Celles-ci diffèrent cependant de par leur puissance ou encore de par le type de carburant qu'elles utilisent comme le gaz naturel, l'hydrogène, le diesel ou encore des énergies dites

renouvelables comme le soleil ou le vent. Ces technologies de productions se différencient également par leur méthode de raccordement au réseau. D'une part, il y a les centrales utilisant un alternateur synchrone ou asynchrone directement connecté au réseau, d'autre part celles utilisant un interfaçage d'électronique de puissance, comme dans le cas des piles à combustibles ou des panneaux solaires. On distingue ainsi les types suivants :

I-3-1-La cogénération

La cogénération électricité - chaleur est une technique permettant de récupérer la chaleur produite par toute microcentrale électrique proche de bâtiments et fonctionnant à haute température, qu'il s'agisse de centrales thermiques classiques ou de certains types de piles à combustible. Le rendement énergétique global d'une telle installation peut atteindre 90% et l'utilisation locale de la chaleur produite permet d'éviter une consommation supplémentaire d'énergie pour le chauffage des bâtiments [2].

I-3-2 - Les énergies non renouvelables

Energies fossiles (gaz, charbon, pétrole):les technologies utilisant ces énergies primaires sont nombreuses et bien éprouvées, ce qui leur confère un grand intérêt économique.

Les moteurs à combustibles fossiles : Les turbines à gaz et les groupes diesel sont des moyens de productions utilisant une génératrice synchrone pour transformer l'énergie mécanique développée par celles-ci en énergie électrique.

Hydrogène : Les piles à combustible produisent directement de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène par réaction inverse de l'électrolyse de l'eau. C'est une énergie sur laquelle beaucoup d'espoirs sont fondés, bien que l'hydrogène ne se trouve pas sous forme directement exploitable dans la nature ; il faut en effet de l'énergie pour le produire. Les puissances disponibles de ce type de source varient en fonction de la technologie d'électrolyte considéré, de quelques kilowatts à quelques mégawatts.

I-3-3-Ressources énergétiques renouvelables

Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique).

? L'énergie solaire : peut être exploitée sous différentes formes : Thermique ou photovoltaïque, les photons sont convertis en courant électrique par un semi-conducteur.

? L'énergie éolienne: est produite par la force du vent qui fait tourner les pales d'une éolienne. L'énergie dite mécanique est convertie en énergie électrique par une génératrice. La quantité de vent détermine donc la quantité d'électricité produite. Le rendement de l'éolienne dépend de sa taille : si on augmente la hauteur du mât et la longueur des pales, la puissance disponible croît également.

? La biomasse-énergie: fait référence à l'ensemble de la matière végétale ou de déchets d'origine animale (bois, plantes, céréales, déchets agricoles,...) susceptible d'être collectée à des fins de valorisation énergétique.

? L'énergie hydraulique: est produite par la force de l'eau. Elle est exploitée grâce aux retenues d'eau des barrages, ou encore avec des centrales au fil de l'eau. L'hydraulique océanique, également appelée thalasso-énergie, connaît une croissance importante.

? La géothermie: utilise la chaleur de la Terre et l'exploite par différentes techniques, selon la profondeur à laquelle la chaleur est captée. Son usage est très ancien, et pourtant elle reste une énergie peu utilisée, malgré un potentiel important.

I.3-3-1 L'énergie solaire

L'énergie solaire photovoltaïque désigne l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. La conversion directe de l'énergie lumineuse en énergie électrique, soit « L'effet photovoltaïque » été découvert par le physicien français Becquerel en 1839. [16]

A. Principe d'une cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un capteur constitue d'un matériau semi-conducteur absorbant l'énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d'absorption du rayonnement lumineux par des matériaux semiconducteurs [13]. Ainsi le choix des matériaux utilisés pour concevoir des cellules PV se fait en fonction des propriétés physiques de certains de leurs électrons susceptibles d'être libères de leurs atomes lorsqu'ils sont excités par des photons provenant du spectre solaire et possédant une certaine quantité d'énergie selon leurs longueurs d'onde. Une fois libères, ces charges se déplacent dans le

matériau formant globalement un courant électrique de nature continu. La circulation de ce courant donne alors naissance à une force électromotrice (fém.) aux bornes du semi-conducteur correspondant ainsi au phénomène physique appelé effet photovoltaïque.

La principale source d'énergie dont dépend toute la terre est le Soleil. La puissance du rayonnement solaire, mesurée sur le bord extérieur de l'atmosphère terrestre, est pratiquement invariable lorsque la Terre est à une distance moyenne du Soleil. Cette constante est égale à 1377 W/??².

Si on assume que la terre est parfaitement sphérique, elle a une surface diamétrale de,????²où r est le rayon moyen de la terre. Le rayonnement solaire intercepté est donc égale à 1377 ????², si le rayon r est en mètre. Le rayon moyen de la terre est 6.324 millions de mètres, ayant pour résultat [10]

Un système photovoltaïque se compose d'un champ de modules et d'un ensemble de composants qui adapte l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. Cet ensemble, appelé

aussi "Balance of System" ou BOS, comprend tous les équipements entre le champ de modules et la charge finale, y a compris.

L'onduleur transforme le courant électrique continu produit par les cellules PV en courant électrique alternatif ; semblable à celui qui est délivré par le réseau. En cas d'absence ou de défaillance du réseau, l'onduleur se déconnecte automatiquement pour des raisons de sécurité c'est la « protection de découplage » qui permet de supprimer tout risque d'électrocution lorsque des techniciens font une opération de maintenance sur le réseau, la puissance crête des modules ne doit jamais être inférieure à la puissance de l'onduleur

Ils assurent des fonctions de protection vis à vis de l'utilisateur et du réseau. Ceux-ci peuvent être intégrés dans l'onduleur.

C? Les différents types de systèmes photovoltaïques : Il existe deux types de structures de système photovoltaïque [10].

Cette structure est la plus basique et ne nécessite qu'un onduleur. Néanmoins, quelques adaptations sont nécessaires pour assurer un bon fonctionnement du système. Il est impératif de mettre en série un nombre suffisant de panneaux solaires pour avoir la tension adéquate au niveau du bus continu pour permettre le fonctionnement de l'onduleur. La tension aux bornes de ces panneaux ne va varier que très peu; la tension qui permet d'extraire le maximum de puissance pour différents éclairements se

situe dans une plage réduite. Cette plage ne pouvant être dépassée pour le fonctionnement de l'ensemble.

C.2 Système a bus continu intermédiaire : (Structure à deux convertisseurs)

Ce système photovoltaïque comporte des panneaux solaires connectés en série et en parallèle, un

hacheur survolteur, un bus continu et un onduleur de tension. Les panneaux solaires fournissent un courant dépendant de l'éclairement et de la tension à leurs bornes.

Un adaptateur d'impédance permettant d'extraire le maximum de puissance des panneaux solaires [10].

D. Caractéristique d'un module solaire

C'est une caractéristique fondamentale du module solaire d'un nombre de cellule (NS=36) définissant cet élément comme générateur [13]. Elle est identique à celle d'une jonction PN avec un sens bloqué, mais décalé le long de l'axe du courant d'une quantité directement proportionnelle à l'éclairement. Elle se trace sous un éclairement fixe et une température Constante, Figure (I.5).

La puissance débitée par le module photovoltaïque dépend du point de fonctionnement de cette dernière ; c'est le produit de l'intensité de courant et de la tension entre ses bornes. Le point représente la puissance maximale débitée par le module, Figure (I.6).

-Le gisement solaire : La quantité de kWh produite est directement proportionnelle au gisement solaire propre à une zone géographique et de façon plus fine aux variations saisonnières qui modifient les moyennes mensuelles.

-Les masques : - Une ombre, même partielle, affecte la production entière d'un module ; aussi faut-il accorder un soin particulier à cette question. L'installateur doit réaliser une « étude de masque » afin de mesurer avec précision les pertes de rendement. Ces ombres sont projetées par les obstacles (végétation, reliefs montagneux, habitations voisines, câbles du réseau électrique et/ou de téléphone) entre la course du soleil et le plan d'inclinaison du module.

La figure (I.7) illustre la variation de la puissance délivrée par le générateur en fonction de la tension pour différentes valeurs de la température.

Figure (I.7) L'influence de la température sur la caractéristique P=f(V) [20].

I.3-3-2 L'énergie éolienne

Les systèmes éoliens transforment l'énergie cinétique du vent en énergie électrique à travers des aérogénérateurs. La plage de puissances des systèmes éoliens varie entre quelques kWs (systèmes mini éoliens) jusqu'aux installations de quelques MWs (grands systèmes éoliens). La conversion de l'énergie cinétique en énergie électrique se fait en deux étapes :

- au niveau de la turbine (rotor), qui extrait une partie de l'énergie cinétique du vent disponible pour la convertir en énergie mécanique,

- au niveau de la génératrice, qui reçoit l'énergie mécanique et la convertit en énergie
électrique. En fonction de la génératrice.

A. Propriétés Du Vent [4]

À cause de la masse et de la vitesse de l'air en mouvement, le vent possède une énergie cinétique. Considérant un volume d'air avec la masse m se déplaçant à une vitesse v. Son énergie cinétique (E.C.) est donnée :

Puisque la puissance est l'énergie par unité du temps, la puissance représentée par une masse d'air se déplaçant à une vitesse V à travers la surface A, sera :

(Puissance à travers un surface A = (Energie/Temps) = (1/2).(Masse/Temps). V^??(I.4)

L'écoulement de masse ?? à travers A, est le produit de la densité d'air p (qui est une fonction de la température et de pression atmosphérique), de la vitesse du vent v, et de la surface A.

Combinant les équations (I.4) et (I.5), on obtient une relation très importante :

L'équation (I.6) suppose que le dispositif utilisé pour exploiter cette énergie éolienne réussit à stopper régulièrement le vent. En pratique, une turbine éolienne ne peut pas arrêter complètement le vent, si bien que la puissance maximale que l'on peut extraire du vent est d'environ 30 % à 40 % de la puissance donnée. Afin de donner une idée de la vitesse et de la puissance de différents types de vents, on peut établir la classification grossière suivante [4]:

Les vitesses de vent utilisables par les éoliennes sont comprises entre 5 m/s et 15 m/s, [14].

B. Modélisation de différentes technologies de générateurs éoliens sur un réseau moyenne tension

B.1 Les éoliennes à vitesse fixe

Les éoliennes à vitesse fixe sont les premières à avoir été développes. Dans cette technologie ces éoliennes mettent en oeuvre des machines asynchrones à cage d'écureuil, la génératrice asynchrone est directement couplée au réseau. Sa vitesse mécanique est alors imposée par la fréquence du réseau et par le nombre de paires de pôles de la génératrice [4].

- Eolienne à vitesse variable à machine asynchrone à cage d'écureuil : (Éolienne commandée par le stator)

Ce type d'éolienne permet de couvrir une plage de vitesse allant d'une très basse vitesse à la vitesse maximale grâce à un onduleur MLI reliée à un bus continu. Le bus continu est relié au réseau alternatif par un second convertisseur MLI qui permet de contrôler les échanges de puissance active et réactive avec le réseau selon le schéma suivant.

Figure (I.10) Générateur éolien à vitesse variable basé sur une machine asynchrone à cage [14]

B.3 Éolienne commandée par le rotor) [14]

Actuellement, la majorité des projets éoliens supérieurs à 1MW reposent sur l'utilisation de la

machine asynchrone pilotée par le rotor. Son circuit statorique est connecte directement au réseau électrique. Un second circuit placé au rotor est également relie au réseau mais par l'intermédiaire de convertisseurs de puissance. Etant donné que la puissance rotorique transitée est moindre, le coût des convertisseurs s'en trouve réduit en comparaison avec une éolienne à vitesse variable alimentée au stator par des convertisseurs de puissance.

C'est la raison principale pour laquelle on trouve cette génératrice pour la production en forte puissance.

Une seconde raison est la possibilité de régler la tension au point de connexion ou est injectée cette génératrice, Figure (I.11).

I-3-3-3 L'énergie hydraulique

Est produite par la force de l'eau. Elle est exploitée grâce aux retenues d'eau des barrages, ou encore avec des centrales au fil de l'eau. L'hydraulique océanique, également appelée thalasso-énergie, connaît une croissance importante.

- Principe de central hydro-électrique : Les centrales hydro-électriques convertissent l'énergie de l'eau en mouvement en énergie électrique. L'énergie provenant de la chute d'une masse d'eau est tout d'abord transformée dans une turbine hydraulique en énergie mécanique. Cette turbine entraîne un alternateur dans lequel l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique.

Figure (I.12) principe de production à partir de l'énergie hydraulique [20]

A. Puissance d'une chute d'eau D'une façon générale, la puissance que l'on peut tirer d'une chute dépend non seulement de la hauteur de la chute, mais aussi du débit du cours d'eau. Le choix de l'emplacement d'une centrale hydro-électrique dépend donc de ces deux facteurs.

Q = débit en mètres cubes par seconde [m3/s] h = hauteur de la chute, en mètres [m]

Selon la loi de Bernoulli, l'énergie hydraulique (I.10) est la somme de l'énergie de pression (I.8), géodésique (I.9) et cinétique (I.10) de l'eau [20] :

EP = p

(I.8)

_V2

????=

Avec v = A Q (I.10)

L'énergie totale absorbée par la turbine (E1) est la différence entre l'énergie à l'entrée (E1) de la turbine et l'énergie à sa sortie (E2)

Q : est le débit d'écoulement de 1' eau dans la conduite forcée (??³/ s)

B. Les principaux types des turbines [21] : les alternateurs sont entraînés par des turbines.

Celles-ci sont adaptées aux caractéristiques de la chute : hauteur, vitesse de l'eau, débit.

-Turbine PELTON : Figure (I.14) Les centrales de haute chute sont généralement équipées de turbines PELTON, ou turbine à action : l'eau arrive en deux jets de forte pression contre le pourtour de la roue équipée de pales en forme de godets. La turbine Pelton est du nom de l'ingénieur américain Lester Allen Pelton.

-Turbine FRANCIS : Figure (I.15) Les usines de moyenne chute sont équipées de turbine FRANCIS, ou turbine à réaction, qui permettent l'utilisation de l'eau à moyenne pression. L'eau est dirigée contre les pales de la turbine par des ailettes de guidage, puis rabattue vers le centre de la roue.

-Turbine KAPLAN: Figure (I.13) En 1913, l'ingénieur autrichien Viktor Kaplan proposa pour la première fois son turbopropulseur, qui fonctionne comme une hélice de bateau inversée [12]. Les usines de basse chute sont équipées de turbine à réaction type KAPLAN avec pales orientables en fonction du débit.

Figure (I.13) turbine hydraulique du type Kaplan [21] Figure (I.14) d'une turbine hydraulique du type [21]

C. Les Différents Types D'aménagements [20]

Il existe une grande diversité d'installations hydroélectriques, en fonction de leur situation géographique, du type de cours d'eau, de la hauteur de la chute, de la nature du barrage et de sa situation par rapport à l'usine de production électrique.

Les centrales sont dites de haute chute lorsqu'elles sont situées en altitude (200 m > h > 40 m). Elles bénéficient généralement de dénivelés très importants entre le barrage qui retient l'eau et l'usine où est produite l'électricité. (Figure I.12).

Les centrales sont dites de basse chute lorsqu'elles sont installées sur de grands fleuves à faible pente et à très fort débit [6]. Dans ce cas l'électricité est produite en continu au fil de l'eau. Elles ont des hauteurs de chute inférieures ou égale à 40 m.

Une station de transfert d'énergie par pompage - STEP - fonctionne en circuit fermé à partir de 2 bassins. Pendant les heures de pointe, ces centrales fonctionnent comme des centrales hydrauliques classiques, utilisant l'énergie de l'eau qui s'écoule d'un réservoir supérieur dans un réservoir inférieur. Pendant les périodes creuses, le processus est renversé. Les alternateurs fonctionnent alors comme des moteurs synchrones et entraînent les turbines qui deviennent d'énormes pompes prenant l'eau dans le réservoir inférieur pour la renvoyer dans le réservoir supérieur [6]. Le cycle se répète une ou deux fois par jour, selon la nature du réseau et de la charge.

D. Les typologies actuelles des groupes de conversion électromécanique dans la structure d'une microcentrale hydroélectrique

Les groupes de conversion électromécanique utilisés couramment dans les microcentrales hydroélectriques sont équipés avec des machines synchrones à rotor bobiné ou avec machines asynchrones à cage [12]. Nous allons citer trois cas courants avec débit sur charge isolée ou sur réseau. Ces systèmes électromécaniques ont une configuration simple et peuvent assurer un fonctionnement efficace seulement à l'aide de dispositifs de contrôle mécanique ou électrique

D.1 Génératrice synchrone en débit sur charges isolées ou sur réseau interconnecté (débit hydraulique réglable).

Figure (I.18) Génératrice synchrone en débit sur charges isolées ou réseau [14]

Si on débite sur des charges isolées, la vitesse doit être toujours fixe, le réglage de la fréquence est obtenu à l'aide de celui du débit de l'eau, lequel permettant d'assurer l'équilibre production consommation (régulation de vitesse), tandis que le réglage de la tension se fait à l'aide du courant d'excitation réglé lui-même par le régulateur de tension. Pour le fonctionnement en débit sur réseau, on s'attache au réglage de P et Q.

Le réglage de la puissance active est obtenu à l'aide de celui du débit où l'on cherche normalement à produire le maximum en fonction de la puissance hydraulique disponible, tandis que le réglage de la

puissance réactive se fait à l'aide du courant d'excitation en fonction de valeurs imposées par le gestionnaire du réseau de distribution [12].

D. 2. Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées ou sur réseau interconnecté (débit hydraulique réglable)

Figure (I.19) Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées ou réseau [21]

Fonctionnant sur charges isolées, même sur réseau, la vitesse étant légèrement variable, le réglage de la fréquence est obtenu à l'aide de celui du débit. Le réglage de la tension se fait à l'aide de plusieurs batteries de condensateurs pouvant ou non être couplée en fonction du niveau de tension (de la composante réactive de l'impédance de charge). Deux batteries permettent de maintenir la tension au niveau requis à #177;10% [20]. Pour le fonctionnement en débit sur réseau on prend le même principe de réglage de P et Q. Le réglage de la puissance active est obtenu à l'aide de celui du débit où l'on cherche à obtenir la production maximale en fonction de la puissance hydraulique disponible. [12]

D.3 Génératrice synchrone ou asynchrone en débit sur charges isolées ou sur réseau (cas d'un débit hydraulique non réglable)

Figure (I.20) Génératrice asynchrone en débit sur charges isolées ou réseau (débit fixe) [21]

Si le débit de l'eau est non réglable, la charge ballast varie en fonction de la puissance active absorbée par les consommateurs afin de maintenir la tension et la fréquence constantes. Pour le fonctionnement connecté au réseau on utilise le même principe de réglage de Q, la charge ballast étant inutile. Les structures détaillées ci-dessus sont des groupes électromécaniques que l'on peut qualifier de solutions

classiques tournant à vitesse fixe ou quasi fixe et ne faisant pas intervenir de convertisseurs statiques de l'électronique de puissance. La tendance actuelle est de développer de plus en plus des systèmes à vitesse variable dont les performances ainsi que les possibilités de contrôle sont significativement améliorées [21].

I-3-3-4 L'énergie géothermique

Au centre de la terre règne une chaleur dont l'ordre de température varie entre 4000°c et 5000°c, et cette chaleur arrive lentement par le manteau jusqu'à l'écorce terrestre où, à certains endroits, elle peut être facilement récupérée.[23] Une fois que le forage est effectué et les canalisations mise en place, l'eau est récupérée, sous forme de vapeur ou d'eau chaude, provenant soit des eaux d'infiltration soit des eaux injectées par un deuxième système de canalisations (ce procédé s'appelle "roche chaude sèche") [9]. On peut utiliser une centrale de deux manières, selon l'état de l'eau récupérée : si on récupère de l'eau chaude, la centrale fonctionne comme un énorme chauffage central et si l'on récupère de la vapeur, la centrale devient une centrale électrique en utilisant cette vapeur pour faire tourner une turbine et ainsi grâce à un alternateur, produire de l'électricité de manière non polluante.

B.1 Avec réservoirs de vapeur: (Figure I.21), Si l'eau de gisement est partiellement vaporisée, elle pourra être récupérée sous la forme de vapeur sèche directement utilisable pour faire tourner les

turbines de vapeur des centrales électriques. Puis cette vapeur est condensée à la sortie de la turbine avant d'être réinjectée dans le gisement

B.2 Avec réservoirs d'eau chaude: (Figure I.22), Le plus souvent, l'eau des gisements géothermiques reste liquide et suivant sa température, elle peut être utilisée soit pour le chauffage, soit pour la production d'électricité. Dans ce dernier cas, la baisse de pression que subit l'eau chaude pendant sa remontée vers la surface produit sa vaporisation de sorte qu'en tête de puits on dispose d'un mélange diphasique eau- vapeur. Cette vapeur sera séparée de l'eau pour faire tourner une turbine qui est accouplée à un alternateur pour produire de l'électricité. L'eau qui est séparée de la vapeur peut être utilisée pour le chauffage [9].

B.3 Avec les gisements de roches chaudes sèches: (Figure I.23), Les gisements de roches chaudes sèches constituent une réserve de chaleur très importante. Si l'existence du gisement est évidente il existe en tous points du globe des roches sèches, comme le granite par exemple, qui est à des températures de l'ordre de 250 0 à 3000 C à 600 mètres de profondeur son accessibilité reste à démontrer [23] : en effet, pour utiliser cette chaleur, il faut un fluide caloporteur (l'eau par exemple), qui circule dans un échangeur créé artificiellement par fracturation fine de la roche. Un deuxième fluide dont la température de vaporisation est inférieure à celle du fluide circulant dans les roches (l'isobutane par exemple) est utilisé dans un deuxième circuit pour faire tourner une turbine. Sée à la sortie de la turbine puis réinjectée dans le gisement.

Figure (I.23) centrale géothermique Avec les gisements de roches chaudes sèches [9]

I-4- Apports technico-économiques et environnementaux de la GED

Les avantages de l'insertion des GED dans le système électrique se situent à quatre niveaux : technique, économique, écologique et opérationnel. [2]

I-4.1. Aspects techniques

L'efficacité de la production décentralisée est directement dépendante de l'évolution des réseaux de distribution d'énergie intelligents de type Smart Grid, capables de gérer la variété et la variabilité des sources. En l'état actuel de la technique, la production décentralisée présente, par rapport à la production centralisée : Possibilité d'alimenter en électricité des sites de consommation très éloignés du réseau existant, Autonomie partielle du système local.

I-4.2. Aspect économique

Pour les centrales de productions centralisées, en dehors des coûts de la construction, il faut compter aussi le surcoût lié à des infrastructures spécialement construites nécessaires pour les travaux (les routes, les lignes dédiées, etc.). Par contre, le coût d'un projet de production décentralisée peut être assuré par des petites entreprises, ce qui favorise la diversité dans la production électrique et active la concurrence.

Pour les installations de production centralisée il faut compter de 7 à 10 ans [7], voire plus dans le cas de construction des grandes centrales hydroélectriques ou nucléaires. Par contre, un projet d'installation de production décentralisée peut être assez court (jusqu'à moins de 6 mois). Concernant le coût d'énergies primaires, dans le contexte actuel où il y a une menace d'épuisement de l'énergie fossile d'un côté et une augmentation incessante du prix de pétrole au cours de ces dernières années

d'un autre côté, les productions décentralisées à base d'énergies renouvelables prennent l'avantage devant les productions à base d'énergie fossile.

Les énergies décentralisées sont bien adaptées pour approvisionner les sites difficilement raccordables au réseau (sites isolés en montagne, îles...).

I-4.3 Aspect écologique

Les productions décentralisées contiennent des productions à base d'énergie renouvelable, donc nous avons ici un impact écologiquement moins important que dans les productions à base d'énergie fossile ou nucléaire.

Les productions basées sur les énergies nouvelles et renouvelables sont moins polluantes que celles à base de l'énergie fossile et nucléaire. Pourtant, l'apparition de parcs éoliens de grande capacité dans le futur pourra devenir source de pollution en termes de bruit et de modification des paysages dues à l'espace important qu'ils occupent. En outre, pour faire face à des fluctuations de la production éolienne, le système doit augmenter excessivement la réserve tournante, et par conséquent, augmenter indirectement les émissions liées à la nécessité de maintenir en service des unités conventionnelles. L'utilisation mixte et complémentaire des éoliennes avec d'autres types de GED ainsi qu'avec des sources classiques devrait apporter la solution pour cet aspect.

I-4.4 Aspect opérationnel

Comme les productions décentralisées sont souvent de capacité petite et moyenne, elles sont beaucoup plus dynamiques et rapides pour mettre en service l'énergie au réseau.

Les enjeux financiers et la politique énergétique des pays influencent fortement les évolutions des réseaux. Dans la plupart des cas, la distribution de l'électricité est concédée à un distributeur choisi par l'Etat. Ce distributeur a alors un monopole sur un territoire délimité. Ce monopole permet le développement d'un réseau de distribution optimal et l'obligation d'assurer un service public en respectant plusieurs règles comme :

- La règle de limitation des interruptions sauf cas exceptionnels. Dans ce contexte, les choix de

dimensionnement du réseau par le distributeur tiennent donc compte de facteurs socio-économiques.

I-5. Conclusion

Ce chapitre expose une vision sur la production décentralisée ainsi que ses intérêts qui Justifient le développement de ce type de production, et nous avons rappelé les Apports technico-économiques et environnementaux de la GED dans les réseaux électriques parmi lesquelles nous relevons les suivantes:

- La production d'énergie plus près des consommateurs permet de réduire les pertes dans les lignes.

- Possibilité d'alimenter en électricité des sites de consommation très éloignés du réseau existant.

Chapitre II:

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

Le phénomène d'insertion de la production décentralisée dans les réseaux de distribution ne présente pas que des avantages. Des études ont montré que de nombreux problèmes sont susceptibles d'apparaître.

Les principaux problèmes liés au raccordement de Génération d'Energie Décentralisée sur le réseau de distribution sont liés aux problèmes de capacité technique d'accueil d'une part et aux problèmes réglementaires qui obligent le distributeur à accepter le raccordement d'un producteur sur le réseau de distribution d'autre part. En effet, le réseau de distribution n'a pas été conçu, à la base, pour accepter de la production décentralisée. Cette problématique peut remettre largement en cause la façon de planifier et d'exploiter les réseaux de distribution.

De plus, une partie de ces GED à de plus, des sources d'énergie primaire intermittente (éolienne, solaire) qui ne permettent pas de prévoir aisément la production disponible à court terme. Elles ne peuvent donc pas garantir une puissance de sortie et proposer toute la puissance disponible sur le marché. D'autre part, ces nombreuses sources sont trop petites pour être observables et dispatchées par les gestionnaires de réseaux de distribution et ne participent donc pas, aujourd'hui, aux services système. Cela peut poser des problèmes en cas de fort taux de pénétration si les moyens de réglage classiques de la distribution deviennent inaptes à assurer la tenue en tension. [16]. Pour cela, on va présenter les problèmes sensibles qui puissent influencer négativement le comportement de ce type de réseau.

Les réseaux de distribution constituent l'architecture la plus importante du système électrique. Ils assurent la distribution de l'énergie électrique au niveau local. Leur tension est inférieure ou égale à 50 kV (HTA). Ils sont constitués de deux types de réseaux :

Le réseau moyen tension (MT) avec un niveau de 10 kV et 30 kV connecté au réseau de transport, et le réseau basse tension (BT) de tension de 0.4 kV. Le réseau BT constitue le dernier maillon du système électrique. Ses tronçons sont raccordés au réseau MT dans des postes de transformation HTA/BT. Ces niveaux de tension offrent un compromis technico-économique qui permet à la fois, de diminuer les chutes de tension, de minimiser le nombre de postes source (poste de connexion HTB/HTA) mais également de limiter les contraintes techniques et économiques inhérentes aux hautes tensions.

Les réseaux de distribution commencent à partir des tensions inférieures à 60 kV et des postes de transformation HTB/HTA avec l'aide des lignes ou des câbles moyenne tension jusqu'aux postes de répartition HTA/HTA. Le poste de transformation HTA/BTA constitue le dernier maillon de la chaîne de distribution et concerne tous les usages du courant électrique.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

II.2.1. Réseaux de distribution à moyenne tension HTA (30 et 10 kV le plus répandu),

II.2.2.Réseaux de distribution à basse tension

II.3 L'importance de la tension et la fréquence dans les réseaux électrique

La tension et la fréquence sont les paramètres les plus importants pour la stabilité du réseau. Les fournisseurs d'électricité définissent des normes d'exploitation des réseaux électriques pour garder la stabilité et la sureté du système électrique, et garantir la qualité de l'énergie. Et les gestionnaires doivent appliquer ces normes.

Le maintien de la tension est un des aspects fondamentaux de l'exploitation des réseaux de transport et de distribution. , une tension instable aura les conséquences suivantes:

? Surcharge des éléments (lignes et transformateurs) par augmentation du courant et risque de déclenchement (ou perturbation) des protections associées,

? Perte des éléments de production (stabilité statique des alternateurs, limites de fonctionnement des groupes et de leurs auxiliaires).

De même que pour la tension, la fréquence doit nécessairement être maintenue dans les limites contractuelles. Les principaux problèmes apparaissant en cas d'excursion non maîtrisée de la fréquence sont les suivants : [25]

? Rupture de synchronisme des alternateurs pouvant entraîner la perte de groupes en cascade.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

? En cas de baisse de fréquence : saturation des circuits magnétiques de transformateurs ou compensateurs bobinés d'énergie réactive entraînant un fonctionnement dégradé et des pertes fer.

II.3.3 Les services systèmes : Les Services Système ont pour projet de garantir le maintien de la fréquence, de la tension et de façon générale la stabilité du réseau électrique. La totalité des utilisateurs raccordés à ce réseau bénéficient de ces services qui assurent le bon fonctionnement de leurs matériels électriques et de leurs processus de consommation ou de production mais assurent aussi le maintien des conditions d'exploitation sûres du réseau électrique. De fortes variations sur la tension ou la fréquence peuvent effectivement engendrer des incidents de grande ampleur, comme un black-out, privant des régions ou pays entiers d'électricité pendant des durées indéfinies (ça peut aller de plusieurs heures, jusqu'à plusieurs Jours).

Un système d'énergie électrique peut être défini par sa fréquence et sa tension. La stabilité de ces paramètres garantit la stabilité du système dans sa globalité. A cet égard, les producteurs centralisés ont à répondre à ce que l'on appelle les services système, cela signifie qu'ils contribuent au réglage de tension et de fréquence dans des limites déterminé par les gestionnaires du réseau auquel ils sont reliés. Les services système comptent aussi plusieurs dispositifs mis en place sur tout le réseau, et spécialement sur les réseaux de distribution, qui permettent de maintenir la tension en ses termes prédéfinis. Le réseau électrique doit pouvoir faire face à tous les incidents envisageables, et doit garantir un fonctionnement correct [26].

Les charges d'un réseau électrique consomment plus ou moins une grande quantité de puissance réactive par rapport à la quantité de puissance active consommée.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

Cette puissance réactive consommée est en partie fournie par les groupes de productions essentiellement connectés au réseau de transport, et en partie par des dispositifs de compensations d'énergie réactive généralement placés au plus près de la consommation pour éviter les transits élevés de puissance réactive dans le réseau de transport vers le réseau de distribution. En effet, en HTB, les lignes ont un caractère plus inductif que résistif et le transit de puissance réactive induit de forte chute de tension. De plus, le fait de faire transiter de la puissance réactive dans une ligne diminue la puissance active maximale transmissible par celle-ci. [24]

Du fait de l'étendue du réseau HTB les contrôles en tensions s'effectuent de manière hiérarchisée dans le temps et de manière distribuée dans l'espace (Fig. II.1).

Le réglage primaire(RPT) agit au niveau local avec une constante de temps de l'ordre de 100 ms sur la

tension aux bornes des groupes pour faire face à des variations rapides de la tension qui peuvent être induites par des variations de demande de puissance réactive, par des défauts ou par des manoeuvres sur le réseau. Le RPT est le premier à intervenir suite à une perturbation. Il se caractérise par une action basée sur des critères locaux en asservissant la tension aux bornes du groupe à une valeur de référence. Grâce à cet asservissement les générateurs actuels, essentiellement des alternateurs, fixent la

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

tension à une valeur de consigne sur leur point de raccordement. Le principe est d'agir sur l'excitation de ces machines pour garder le niveau de tension désirée. Ceci est réalisable dans les limites propres de chaque alternateur. Le RPT permet donc, dans la limite des réserves primaires des groupes (en réactif), de maintenir l'équilibre local entre la production et la consommation de puissance réactive et de répondre rapidement aux fluctuations aléatoires de la tension [16].

Le réglage secondaire de tension (RST) a pour but de faire face de manière coordonnée à de fortes, mais lentes fluctuations de la tension à l'échelle régionale, ce que le réglage primaire ne peut assurer seul. Le réglage secondaire est automatisé et centralisé par régions dites zones de réglage, ces zones de réglages doivent être indépendantes du point de vue de la tension. Cela signifie que chaque zone est en théorie insensible à toute variation de tension pouvant survenir dans une zone voisine. Il a pour objet de limiter les transits de puissance réactive sur les lignes d'interconnexion, et de maintenir la tension en certains noeuds représentatifs de la tension de chaque zone à sa valeur de consigne. Ces noeuds spécifiques sont appelés noeuds pilotes (il y en a un par zone de réglage).

Cette action est réalisée en élaborant une correction des valeurs de consigne de chaque groupe participant au réglage secondaire. Le correcteur du réglage secondaire élabore un niveau de participation à partir de l'écart entre la consigne de tension du noeud pilote et la tension mesurée en ce même noeud. Ce niveau est ensuite utilisé par la boucle de réactif de chaque alternateur pour déterminer la correction à apporter sur la consigne de tension de ce dernier. Afin de protéger le réseau contre d'éventuelles oscillations dues à des actions contradictoires des réglages primaire et secondaire, ce dernier a un temps de réponse nettement plus long que le précédent : il est de l'ordre de la minute.

Le réglage tertiaire, manuel, effectué en France par le dispatching national, consiste à réévaluer, à intervalles de quinze minutes, les consignes de tension des noeuds pilotes de chaque zone de réglage selon des critères technico-économiques dont les principaux sont les suivants [24] :

? Respecter les contraintes de fonctionnement des matériels, ? Minimiser les pertes et les coûts de production,

Il a pour but d'assurer une bonne tenue globale du plan de tension, et d'éviter des situations engendrant des surcoûts ou des risques pour le système électrique. Les consignes de tension des noeuds pilotes sont calculées par un « optimal power flow », ou OPF, en tenant compte des critères précédemment cités. [22]

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

Le raccordement de GED peut causer certains impacts sur le système électrique Ces impacts peuvent être classés en deux groupes: les impacts sur la distribution et les impacts sur le transport.

II.4.1 Impacts de l'intégration de GED sur les réseaux de distribution II.4.1.1 Impact sur le plan de tension

Le réseau de distribution fonctionne sous une tension de (30kV et 10 kV). L'utilisation de conducteurs pour transporter l'énergie aux consommateurs est responsable d'une chute de tension c'est-à-dire que la tension relevée aux noeuds consommateurs est plus faible que la tension relevée au niveau du poste source. Une tension trop faible provoque le dysfonctionnement du matériel chez le consommateur et une tension trop forte peut endommager les équipements du réseau et ceux du consommateur. Ainsi un compromis technico-économique exige que la tension sur le réseau de distribution doive rester dans les limites de +/- 5 % de la tension nominale. Pour pallier ce problème, on utilise des transformateurs régleurs en charge au niveau du poste source HTB/HTA. Ces sont des transformateurs dont on peut changer les prises c'est- à-dire faire varier le rapport de transformation et donc soit diminuer soit augmenter la tension, [17].

On rappelle pour que la chute de tension en régime triphasé s'exprime par la formule suivante:

On constate donc que la chute de tension dépend directement des puissances actives et réactives injectées mais également du type et de la longueur des conducteurs utilisés. Ainsi la connexion de GED sur le réseau peut faire varier le plan de tension. La tension peut alors dépasser les limites admissibles même avec le fonctionnement des régleurs en charge [18].

Pour montrer les effets de la GED sur le plan de tension, prenons l'exemple de la figure (II.2). Le réseau est constitué de 5 charges régulièrement espacées de 5 km consommant au total 10 MW.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

La Figure (II.3) illustre un exemple d'impact bénéfique de l'insertion de GED sur la tension. On peut constater qu'au noeud 2 la tension est de 1,02 pu. Cela correspond à la tension de consigne du régleur en charge. Lorsqu'En connectant une GED de 2 MW au noeud 6, l'énergie est consommée plus localement que dans le cas sans GED. La puissance active injectée étant moins importante au noeud 3, 4, et 5, la chute de tension est moins importante. Le plan de tension avec une GED connectée permet dans ce cas de remonter la tension tout en restant dans les limites admissibles. Ceci est bénéfique pour le réseau car cela permet de diminuer les pertes.

Tension maximal

Tension minimale

En revanche, l'insertion de GED peut provoquer des surtensions comme l'illustre la Figure (II.4). Une GED de 10 MW est connectée au noeud 5. L'export de puissance provoque une, augmentation de la tension qui dépasse la limite supérieure admissible.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

Les GED connectées à un départ peuvent provoquer le changement de prises du régleur en charge. Ainsi, d'autres départs de ce régleur en charge peuvent voir leur tension diminuer en raison du changement de prises du régleur, avec la logique de compound âge appliquée au régleur en charge [22].

La connexion de GED sur le réseau de distribution modifie le transit de puissance dans le réseau. La Figure (II-5) montre les transits de puissance obtenus sur ce réseau test sans GED. Les flux de puissance sont unidirectionnels et proviennent du réseau amont, le réseau de transport,

Figure (II.5) Transit de puissance dans le réseau distribution sans GED [25]

On suppose une GED connecte au noeud 5 de puissance 1MW comme indiquée sur la Figure (II.6). Cette GED fonctionne à sa puissance maximale. Non seulement elle alimente la charge connectée au même noeud mais, en plus, elle va exporter de la puissance vers les autres charges.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

Les flux de puissance deviennent alors bidirectionnels. La puissance provenant du réseau de répartition est alors de 5,123 MW. Par ailleurs, dans le cas précédent où la puissance provenait intégralement du réseau amont, les pertes sur le réseau de distribution étaient de 465,6 kW. Dans le cas d'une GED connectée au noeud 5, les pertes sont réduites à 122,5 kW. L'introduction de cette GED a donc diminué les pertes sur le réseau d'un facteur 3,8. Ainsi grâce à la production locale de cette GED, les transits de puissance active ont diminué et par conséquent les pertes également.

Figure (II.6) Transit de puissance dans le réseau test avec une GED connectée au noeud 5 [25]

L'introduction de GED dans le réseau de distribution modifie l'impédance globale du réseau et donc

les courants de court-circuit et la puissance de court-circuit. Ainsi il est possible que le courant de court-circuit soit modifié [25] et puisse provoquer le dysfonctionnement du matériel de protection. Par ailleurs, lors d'un défaut, les producteurs alimentent le courant de défaut. Celui-ci peut alors dépasser la limite admissible des éléments du réseau (conducteurs entre autres).

La connexion de GED sur le réseau de distribution peut également altérer la qualité de l'onde de tension. Celle-ci est déterminée grâce à un ensemble d'indices.

Il s'agit de variations rapides de la tension inférieures à 10 % de la tension nominale de manière

répétitive. Il provient du fonctionnement de certaines machines comme les fours à arcs par exemple. Le « flicker » n'a aucune incidence sur les matériels. Cependant il provoque une gêne visuelle car il est responsable du papillotement des ampoules à incandescence. Le « flicker » peut apparaître en raison de l'intermittence des GED si celles-ci sont des éoliennes ou encore des panneaux photovoltaïques.

Il s'agit d'une diminution brutale de la tension qui peut aller jusqu'à 90 % de la tension nominale

pendant une durée comprise entre 10 ms et 1 minute. Le fonctionnement des protections limite la

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

durée des creux de tension suite à des défauts polyphasés. Ils peuvent intervenir également lorsqu'une GED se couple au réseau.

Les harmoniques sont des déformations de l'onde de tension ou de courant. Certaines GED (photovoltaïque entre autres) peuvent avoir des interfaces d'électronique de puissance. Or ce sont ces dispositifs d'électronique de puissance qui sont responsables de la création d'harmoniques plutôt hautes fréquences qui peuvent provoquer un vieillissement prématuré des matériels. Par ailleurs, elles sont responsables de gênes acoustiques dans les transformateurs et de vibrations dans les machines tournantes [22].

Le déséquilibre du système triphasé est dû à un mauvais équilibrage des phases et peut provoquer des déséquilibres de tension (diminutions ou élévations). Ces déséquilibres au niveau de la moyenne tension peuvent apparaître lors du raccordement de GED monophasées sur le réseau bas tension, au même titre que les charges monophasées classiques.

Dans la partie précédente, les impacts de l'insertion de production décentralisée sur les grandeurs électriques ont été mis en évidence. Ceux-ci laissent penser que le réseau de distribution n'a pas été conçu pour accueillir ces productions.

La modification des courants de court-circuit due à l'insertion de GED peut conduire à une modification du réglage des protections voire même à leur changement. Deux principaux problèmes apparaissent suite à une insertion de GED : le problème d'aveuglement de protections et celui déclenchement intempestif des protections.

Lorsque la production décentralisée est loin du poste source HT/MT et qu'un défaut apparaît sur une dérivation proche de la centrale, Figure (II.7) il peut arriver que l'impédance de la ligne entre le poste source et le défaut devienne très importante devant l'impédance entre la centrale et le défaut ; On observe alors une diminution du courant de défaut injecté au niveau du poste source par rapport au cas où la centrale n'est pas en fonctionnement. Il peut donc arriver que la protection au niveau du poste source ne détecte plus dans un premier temps le défaut [2].

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

Considérons le schéma de la figure (II.8) d'alimentation par une sous station du réseau d'une charge

par la liaison 2 et la connexion à la sous station par la liaison 1 d'une unité de production décentralisée. Ces deux liaisons sont chacune protégées par un disjoncteur contre les surintensités (protection ampère métrique) comme c'est l'usage. En effet, tout défaut survenant sur un départ MT doit être éliminé par ouverture du disjoncteur de départ.

Dans cet exemple extrêmement simple le disjoncteur de la ligne 1 peut débrancher intempestivement cette ligne en cas de défaut sur la ligne 2, car le courant du générateur lors de ce défaut peut être supérieur au seuil de protection. Ceci pour autant que la puissance des unités de production décentralisée soit importante et arrivera d'autant plus que le défaut soit proche du poste. La sélectivité de la protection est ainsi mise en défaut.

Les seuils de protection doivent donc être revus pour que seule la ligne en défaut soit déconnectée.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

II.4.1.7 Impact sur les calculs technico-économiques des études de planification :

L'introduction de production décentralisée dans le réseau modifie les transits de puissance et le plan de tension. Ainsi, c'est un paramètre qui doit être introduit dans les études de planification. Par exemple, une décision de renforcement de réseau sans GED et avec GED n'aura pas les mêmes coûts actualisés. Il est en effet possible que selon qu'il y ait une GED ou non, les parties du réseau à renforcer changent. Les coûts actualisés des pertes, ou encore de l'énergie non distribuée, peuvent donc être très différents.

D'un autre côté, les principaux impacts qu'une grande quantité de connexion de la production d'énergie peut provoquer dans le système de transport, sont les suivants: [2]

> Risque de congestion L'insertion des sources intermittentes est normalement localisée dans des zones où les conditions climatiques sont plus appropriées. Ceci provoque le besoin d'un renforcement local du réseau vu les possibilités de congestions locales.

> Incertitude du système électrique : L'intermittence des sources d'énergie provoque une incertitude dans le système en terme de quantité d'énergie générée et de la localisation de l'injection: le réseau électrique doit être prêt à accueillir un nombre important de producteurs d'énergie sans connaître a priori ni la position, ni la puissance qu'ils vont débiter.

> Changement des marges d'exploitation : Le changement des marges d'exploitation comme conséquence du besoin d'un système de suivi non seulement de la charge mais aussi de l'intermittence des sources.

> Apparition des flux d'énergie réactive : L'apparition des flux d'énergie réactive inattendus dans le système de transport lorsque le flux de puissance active est inférieur à la puissance naturelle de la ligne.

> Fermeture des grandes centrales : La fermeture ou le non remplacement des grandes centrales à causes économiques et environnementales.

> Perte de la production d'énergie : La perte de la production d'énergie par des conditions climatiques rudes, soit la déconnexion des éoliennes par vents excessivement forts.

Comme il a été expliqué précédemment, la connexion de GED modifie le plan de tension du réseau en injectant une puissance produite en un point du réseau. Cependant, beaucoup d'études sont menées dans l'optique de trouver des solutions efficaces quant à l'intégration de ces GED dans le réseau de distribution. Des contrôles de GED en puissance et en tension existent déjà, le principe de ceux-ci

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

diffère en fonction du type de GED utilisée à savoir un raccordement direct de la machine synchrone ou un interfaçage d'électronique de puissance.

Pour les GED de type machine tournante (machine synchrone), il existe deux types de régulation: [24]

? Le régulateur de tension (Automatic Voltage Regulator: AVR) est capable de maintenir la tension de la machine constante. Ce régulateur est souvent utilisé pour les générateurs de quelques dizaines à quelques centaines de MVA dans le réseau de transport ou, par les générateurs fonctionnant en réseau séparé. Le principe est de régler la tension via l'excitation de la machine. En sous excitation, la machine réagie comme une inductance en absorbant de la puissance réactive induisant donc une baisse de la tension réseau. A l'inverse, si celle-ci est surexcitée elle fournit de la puissance réactive induisant une augmentation de la tension réseau.

? Le régulateur de facteur de puissance (Power Factor : PF) est capable de maintenir le facteur de puissance ou la puissance réactive constante. Ce régulateur est souvent utilisé pour les GED ou les générateurs connectés aux réseaux de distribution de quelques kVa à quelques dizaines de MVA. Ce système de régulation (PF/VAR) est bien adapté pour les GED, en particulier celles de petites puissances.

De la même façon, pour les GED utilisant une interface d'électronique de puissance (onduleur) pour leur connexion au réseau, il est possible de contrôler les courants fournis par l'onduleur de manière à créer des régulations similaires à celles exposées pour les machines synchrones :

? La régulation en tension ou mode P/y : dans ce mode, la commande de l'onduleur est créée pour fixer au noeud de connexion la tension et la puissance active de consigne. La tension au point de connexion est contrôlée par injection ou absorption de puissance réactive. Un contrôle adapté de l'association source primaire et onduleur de tension permet de fixer la puissance active et la tension via les courants produits. Ainsi il est possible de contrôler, dans les limites du système la tension et la puissance active au point de connexion.

? La régulation en puissance ou mode P/Q : dans ce mode, la commande de l'onduleur est créée pour fixer au noeud de connexion les puissances active et réactive de consigne. Ce modèle de régulation est très similaire au mode P/V. Une boucle de régulation en courant génère la commande de l'onduleur et fixe les puissances au noeud de connexion de la GED via les courants produits sur le réseau.

Chapitre II : les impacts de l'insertion de GED sur les réseaux de distribution

Nous avons précisé, au cours de ce chapitre, différents impacts de la production décentralisée sur les réseaux de distribution et son Utilisation spécifique des et l'importances de la tension et la fréquence dans les réseaux électriques.

L'intégration de production décentralisée dans le réseau de distribution provoque de nombreuses modifications du comportement du réseau. Tout d'abord, les transits de puissance, le plan de tension et les courants de court-circuit sont modifiés. Ces modifications peuvent être bénéfiques pour le réseau mais également préjudiciables (augmentation des tensions et des courants de court-circuit).

Ainsi ce chapitre expose la problématique induite par l'arrivée des GED sur la tension du réseau de distribution. Ce réseau, de par son architecture et sa conception, n'est pas adapté pour un accueil significatif de ces productions. Ainsi, le fait de produire une quantité de puissance localement sur un réseau de distribution créé des problèmes de tension au point de connexion. Cette surtension s'étend aux noeuds voisins et peut selon les niveaux de charge des réseaux devenir critiques.

Chapitre : III

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

III.1 Introduction

Comme nous avons vu dans les deux chapitres précédents, les GED sont définies comme des unités de production d'électricité d'une capacité connecté directement au réseau de distribution et n'est pas central prévu ou envoyé. Ils ont de nombreux avantages environnementaux, techniques et économiques, qui peuvent maintenir la qualité du système. Cependant, un dimensionnement et un emplacement non optimisés des GED peuvent poser de nombreux problèmes aux systèmes de distribution, tels que des pertes de haut de gamme, Violations des limites de tension, augmentation des niveaux de court-circuit et éventuellement dégradation de la Performances du système de distribution d'énergie électrique.

La qualité de fourniture implique, en particulier la garantie de la qualité de l'onde de tension au point de raccordement de chaque client. Théoriquement, l'onde de tension devrait être une sinusoïde de fréquence constante et d'amplitude constante. En pratique, l'amplitude de la tension varie dans le temps. Le gestionnaire s'engage à maintenir ces variations dans les bornes fixées par les normes afin d'éviter de perturber le fonctionnement des appareils connectés au réseau de distribution en particulier pour les réseaux radiaux [18] [19].

En pratique, nous allons choisir un réseau radial de 15 Jeux de barres radial, pour une étude de simulation du meilleur emplacement des GED par rapport les problèmes de la stabilité de la tension. Les données et les paramètres de ce réseau sont présentés dans l'annexe.

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

Sans raccordement de GED, on obtient une chute de tension dans tout le système, et qu'elle arrive jusqu'à 22kv sur les jeux de barres les plus loin de la post source, (Figure III.2).

2.55

2.5

2.45

2.4

2.35

2.3

2.25

2.2

2.15

BUS 1 BUS2 BUS3 BUS4 BUS5 BUS6 BUS7 BUS8 BUS9 BUS10 BUS11BUS12 BUS13BUS14 BUS15

Figure (III.2) les valeurs des tensions dans les différents J.B sans intégration de GED.

III.3.2 Résultats de raccordement de GED au jeu de barre 1 : Dans cette partie nous allons insérer une production décentralisée avec les caractéristiques suivant :

Pactive =2000kW, Tension nominale =25 kV (la même tension de la source), Facteur de puissance =

2.55 2.5 2.45 2.4 2.35 2.3 2.25 2.2 2.15

sans GED

avec GED a J.B 1

Figure (III.3) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 1

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

La connexion de GED au J.B 1 ne change pas le profil de tension et ne diminue pas la chute de tension.

La figure (III.4) montre une amélioration de tension à certaine partie du réseau.

Figure (III. 3) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 2

Les courbes de simulation montre une amélioration de tension au jeu de barre 3 et ces succursales J.B 2, J.B3, J.B4 et J.B5.

Figure (III. 5) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 3

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

L'augmentation de tension de réseau limite en deux jeux de barres, plus le JB de raccordement (figure III.6).

Figure (III. 6) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 4

La figure (III.7) montré presque les mêmes résultats de raccordement au J.B4, Figure (III. 6).

Figure (III.7) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 5

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

Nous obtenons une augmentation suffisant de tension aux jeux de barres de branchement du J.B6, Figure (III.8).

Figure (III.8) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 6

Les courbes de Figure (III.9) montrent presque les mêmes résultats par rapport de raccordement au J.B 6 (figure III.8).

Figure (III.9) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 7

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

Nous obtenons amélioration de tension Just aux trois jeux de barres proches au J.B de raccordement, Figure (III.4).

Figure (III. 10) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 8

On observe amélioration de tension aux les trois J.Bs proche au point de raccordement, Figure (III.5)

Figure (III.11) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 9

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

La figure (III.12) montrer une amélioration de tension sur un part importante de réseau.

Figure (III.12) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 10

On a presque les mêmes résultats par rapport de raccordement au JB 10, (figure III.12)

Figure (III.13) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 11

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

Nous obtenons amélioration de tension aux trois jeux de barres proches au J.B de raccordement, Figure (III.14)

Figure (III.14) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 12 III.3.14 Raccordement de GED au jeu de barre 13

On observe que La plupart des parties du réseau se sont améliorées avec des proportions variables, Figure (III.15)

Figure (III.15) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 13

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

La figure (III.16) montrée une amélioration de tension sur deux parties importantes de réseau.

Figure (III.16) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 14.

On observe Une amélioration au niveau de deux petites parties du réseau Figure, (III.17).

Figure (III. 17) les valeurs des tensions dans les différents J.B avant et après l'intégration de GED au J.B 15

A partir des résultats précédents, nous concluons que les meilleurs points de raccordement des productions décentralisées (GED) pour un réseau radial à 15 Jeux de Barres sont les J.dB 13 ,14 et 10, où l'insertion dans jeu de barres 13 prend le premier classe.

Chapitre III : Étude de cas de localisation un GED dans un réseau de distribution radial de 15 jeu de barre

Ce chapitre présenté une étude de l'emplacement optimal de GED selon la stabilité de tension. L'étude est réalisée sur réseau de 15 jeux de barres.

- La connexion de GED au JB proche de post source (JDB de départ de poste de transformation) ne change pas le profil de tension et ne diminue pas la chute de tension de réseau de distribution.

- Le meilleur emplacement du GED est généralement aux jeux de barres terminaux.

- L'injection de puissance de GED améliore le profil de tension et diminue la chute de tension.

Conclusion générale

La production décentralisée d'énergie n'est pas une chose nouvelle. Elle bénéficie cependant actuellement d'un essor important et trouve un écho important dans l'opinion. Elle n'est plus uniquement limitée à fournir de l'énergie dans les zones difficiles d'accès, elle permet de répondre à des besoins très divers, et couvre à ce titre une large plage de puissances. Celles-ci s'étendent de quelques kWs raccordés aux réseaux de distribution HTA. L'injection d'énergie sur des réseaux qui n'avaient pas été conçus pour cela peut cependant poser certains problèmes qui doivent être examinés entre producteurs et gestionnaires de réseaux.

Dans le premier chapitre nous avons concentré sur la production décentralisée, ces caractéristiques et principes de fonctionnements pour chaque technologie de production.

Dans le 2éme chapitre, on a abordé d'abord l'importance de du réglage de la tension et de la fréquence dans le réseau électrique. Ensuite, on évoque les à l'impact de la production décentralisée sur le réseau de distribution. L'introduction d'un trop fort taux de pénétration engendre plusieurs problèmes sur le réseau de distribution, tel que l'impact sur le sens de transit de puissance, sur la stabilité du système, sur le plan de protection et l'impact sur la tenue de tension ou des surtensions qui, en fonction des états de charge du réseau, peuvent entraîner un non-respect des valeurs de tensions contractuelles.

Pour le 3éme chapitre, nous avons étudié l'impact de de l'insertion d'une production distribuée sur un réseau électriques de 15 Jeux de barres radial. Pour notre simulation, on a simulé le réseau sans aucune GED au début, puis en insérant un GED, on a refait la simulation et à chaque fois nous avons changé le noeud de raccordement. Ensuite, on a comparé les résultats des simulations, La simulation a été sous environnement MATLAB SIMULINK.

On peut conclure que l'emplacement meilleur de GED se trouve généralement au voisinage des JDB terminaux.